JP7200615B2 - detector - Google Patents
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Description
本発明は、湿度検出装置等の検出装置に関する。 The present invention relates to a detection device such as a humidity detection device.
検出装置として、例えば湿度検出装置には、吸収した水分量に応じて誘電率が変化する高分子材料で形成された感湿膜を誘電体として用いた静電容量式のものがある。この静電容量式の湿度検出装置では、感湿膜が電極間に配置され、この電極間の静電容量を測定することにより湿度(相対湿度)が求められる(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art As a detection device, for example, a humidity detection device is of a capacitance type that uses, as a dielectric, a moisture-sensitive film formed of a polymer material whose dielectric constant changes according to the amount of absorbed moisture. In this capacitance-type humidity detector, a humidity-sensitive film is arranged between electrodes, and humidity (relative humidity) is obtained by measuring the capacitance between the electrodes (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載の湿度検出装置では、湿度により静電容量が変化するセンサ部と、センサ部から出力される電荷を電圧に変換する処理等を行う回路部とを、基板上に並設している。 In the humidity detection device described in Patent Document 1, a sensor unit whose capacitance changes according to humidity and a circuit unit that performs processing such as converting electric charges output from the sensor unit into voltage are arranged side by side on a substrate. ing.
このような静電容量式の湿度検出装置に用いられる回路部として、センサ部から出力される電荷をチャージアンプにより電圧に変換する構成が知られている(例えば、特許文献2参照)。この回路部には、チャージアンプの他に、センサ部を矩形波の交流駆動信号で駆動する駆動回路等が設けられる。 As a circuit unit used in such a capacitance-type humidity detection device, a configuration is known in which a charge output from a sensor unit is converted into a voltage by a charge amplifier (see, for example, Patent Document 2). In addition to the charge amplifier, this circuit section is provided with a drive circuit and the like for driving the sensor section with a square-wave AC drive signal.
特許文献1に記載の湿度検出装置では、センサ部と回路部とを並設しているが、小型化や低コスト化の要請から、センサ部と回路部とをチップ状とし、回路部上にセンサ部を実装したスタック構造とすることが想定される。 In the humidity detection device described in Patent Document 1, the sensor section and the circuit section are arranged side by side. A stack structure in which the sensor unit is mounted is assumed.
センサ部と回路部とを並設した場合には、両者が離れていることから、両者の間で伝達されるノイズの影響は小さいが、スタック構造とした場合には、センサ部と回路部とが近接するため、ノイズの影響が懸念される。 When the sensor section and the circuit section are arranged side by side, the influence of noise transmitted between them is small because they are separated from each other. are close to each other, there is concern about the influence of noise.
特に、上記のように、回路部からセンサ部を交流駆動信号で駆動する場合には、センサ部と回路部との両方で大きなノイズが発生し得るため、ノイズ耐性の向上を図ることが望まれる。 In particular, as described above, when the sensor section is driven by the AC drive signal from the circuit section, large noise can occur in both the sensor section and the circuit section, so it is desirable to improve noise immunity. .
本発明は、ノイズ耐性の向上を図ることを目的とする。 An object of the present invention is to improve noise immunity.
開示の技術は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられ、物理量に応じた信号を出力する検出部と、前記検出部の下方における前記半導体基板内、又は前記検出部と前記半導体基板との間に設けられたノイズ抑制層と、を備え、前記検出部は、湿度検出用キャパシタを有し、前記湿度検出用キャパシタは、前記半導体基板の上方に形成された下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に配置された感湿膜と、を含み、前記検出部は、交流駆動信号で駆動され、湿度に応じた信号を出力し、前記ノイズ抑制層は、前記半導体基板の一部に配置された第2導電型の拡散層からなり、前記半導体基板と前記拡散層との間のpn接合には、逆バイアスとする固定電位が与えられる検出装置である。
The disclosed technology includes a semiconductor substrate of a first conductivity type, a detection unit provided above the semiconductor substrate and configured to output a signal corresponding to a physical quantity, and the semiconductor substrate below the detection unit or in the detection unit. and a noise suppression layer provided between the semiconductor substrate, the detection unit having a humidity detection capacitor, the humidity detection capacitor having a lower electrode formed above the semiconductor substrate and an upper electrode, and a moisture-sensitive film disposed between the lower electrode and the upper electrode, wherein the detection unit is driven by an AC drive signal to output a signal corresponding to humidity, and the The noise suppression layer is composed of a diffusion layer of a second conductivity type arranged in a part of the semiconductor substrate, and a fixed potential as a reverse bias is applied to a pn junction between the semiconductor substrate and the diffusion layer. detection device.
本発明によれば、ノイズ耐性の向上を図ることができる。 According to the present invention, noise immunity can be improved.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、本開示において、単に湿度と記載されている場合における湿度は、相対湿度を意味する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. In addition, in the present disclosure, humidity when simply described as humidity means relative humidity.
<第1実施形態>
[概略構成]
本発明の第1実施形態に係る湿度検出装置10の構成について説明する。
<First embodiment>
[Outline configuration]
A configuration of the
図1は、第1実施形態に係る湿度検出装置10の概略構成を例示する図である。図1(A)は、湿度検出装置10を上方から見た平面図である。図1(B)は、湿度検出装置10を下方から見た下面図である。図1(C)は、湿度検出装置10を横方向から見た側面図である。また、図2は、図1(A)中のA-A線に沿う断面を概略的に示す断面図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a
湿度検出装置10は、平面形状がほぼ矩形状であって、対向する2組の二辺の一方がX方向に平行であって、他方がY方向に平行である。X方向とY方向とは互いに直交する。また、湿度検出装置10は、X方向及びY方向に直交するZ方向に厚みを有する。なお、湿度検出装置10の平面形状は、矩形状に限られず、円形、楕円、多角形等であってもよい。
The
湿度検出装置10は、第1半導体チップとしてのセンサチップ20と、第2半導体チップとしてのASIC(Application Specific Integrated Circuit)チップ30と、封止部材としてのモールド樹脂40と、複数のリード端子41とを有する。
The
センサチップ20は、ASICチップ30上に第1DAF(Die Attach Film)42を介して積層されている。すなわち、センサチップ20とASICチップ30とは、スタック構造となっている。
The
センサチップ20とASICチップ30とは、複数の第1ボンディングワイヤ43により電気的に接続されている。ASICチップ30と複数のリード端子41とは、複数の第2ボンディングワイヤ44により電気的に接続されている。
The
このように積層化されたセンサチップ20及びASICチップ30、複数の第1ボンディングワイヤ43、複数の第2ボンディングワイヤ44、及び複数のリード端子41は、モールド樹脂40により封止されてパッケージ化されている。このパッケージ方式は、PLP(Plating Lead Package)方式と呼ばれるものである。
The
ASICチップ30の下面には、詳しくは後述するが、PLP方式によりパッケージ化する際に使用された第2DAF45が残存している。第2DAF45は、ASICチップ30の下面を絶縁する役割を有する。湿度検出装置10の下面には、第2DAF45と、複数のリード端子41とが露出している。
On the bottom surface of the
各リード端子41は、ニッケルや銅により形成されている。第1DAF42及び第2DAF45は、それぞれ樹脂とシリカなどの混合物からなる絶縁材料で形成されている。モールド樹脂40は、カーボンブラックやシリカなどの混合物を含むエポキシ樹脂等の遮光性を有する黒色系の樹脂である。
Each
湿度検出装置10の上面側には、センサチップ20の一部をモールド樹脂40から露出させる開口部50が形成されている。この開口部50は、例えば、壁部がテーパ状であって、開口面積が下方に向かうにつれて小さくなる。この開口部50のうち、実際にセンサチップ20を露出させる最下端の部分を有効開口部51という。
An
開口部50を形成する際には、金型をセンサチップ20に押しあてながらモールド樹脂40により封止する。このときの金型によるセンサチップ20とASICチップ30とへの押圧力によって、チップ割れ等の破損が生じるおそれがある。この破損を防止するために、センサチップ20の厚みT1とASICチップ30の厚みT2は、それぞれ例えば200μm以上であることが好ましい。
When forming the
図3は、モールド樹脂40を除去した状態における湿度検出装置10の平面図である。図3に示すように、センサチップ20とASICチップ30とは、それぞれ平面形状がほぼ矩形状であって、X方向に平行な二辺と、Y方向に平行な二辺とを有する。センサチップ20は、ASICチップ30より小さく、ASICチップ30の表面上に第1DAF42を介して積層されている。
FIG. 3 is a plan view of the
センサチップ20には、有効開口部51により露出される領域に、湿度検出部21が設けられている。また、湿度検出部21の下方におけるp型半導体基板70(図8参照)内には、ノイズを抑制するためのノイズ抑制層200が設けられている。
The
また、センサチップ20の端部には、複数のボンディングパッド(以下、単にパッドという。)24が形成されている。本実施形態では、5個のパッド24が形成されている。パッド24は、例えばアルミニウムやアルミシリコン合金(AlSi)により形成されている。
A plurality of bonding pads (hereinafter simply referred to as pads) 24 are formed at the end of the
ASICチップ30は、駆動及び信号処理用の半導体チップであって、後述する動作を行う。
The
また、ASICチップ30の表面においてセンサチップ20で覆われていない領域には、複数の第1パッド35と、複数の第2パッド36とが設けられている。第1パッド35及び第2パッド36は、例えばアルミニウムやアルミシリコン合金(AlSi)により形成されている。
A plurality of
第1パッド35は、第1ボンディングワイヤ43を介して、センサチップ20の対応するパッド24に接続されている。第2パッド36は、第2ボンディングワイヤ44を介して、対応するリード端子41に接続されている。リード端子41は、ASICチップ30の周囲に配置されている。
The
[センサチップの構成]
次に、センサチップ20の構成について説明する。
[Configuration of sensor chip]
Next, the configuration of the
図4は、センサチップ20の構成を示す概略平面図である。前述のパッド24は、外部からの電圧印加や、電位検出に使用される端子である。図4では、図3に示した複数のパッド24を、パッド24a~24eと区別して示している。なお、パッド24a~24eを区別する必要がない場合は、単にパッド24という。
FIG. 4 is a schematic plan view showing the configuration of the
パッド24aは、グランド電位に接地されるグランド電極端子(GND)として機能する。このパッド24aは、センサチップ20を構成するp型半導体基板70(図8参照)に電気的に接続される。
The
パッド24bは、湿度検出部21の下部電極83に電気的に接続された信号端子TSである。パッド24cは、湿度検出部21の上部電極84に電気的に接続された第1駆動端子T1である。パッド24dは、湿度検出部21の参照電極82(図8参照)に電気的に接続された第2駆動端子T2である。
The
パッド24eは、電源電圧を供給する電源端子(VDD)である。パッド24eは、ノイズ抑制層200に電気的に接続されている。
The
また、パッド24a以外のパッド24b~24eには、それぞれ静電気放電(ESD:Electro-Static Discharge)保護回路60が接続されている。各ESD保護回路60は、入力端子又は出力端子としてのパッド24b~24eのそれぞれと、グランド電極端子としてのパッド24aとの間に接続されている。本実施形態では、ESD保護回路60は、1つのダイオード61により構成されている。ダイオード61は、アノード側がパッド24aに接続され、カソード側がパッド24b~24eのうちのいずれかに接続されている。
An electrostatic discharge (ESD)
ESD保護回路60は、有効開口部51から可能な限り離すように、パッド24b~24eの近傍に配置することが好ましい。ESD保護回路60は、モールド樹脂40により覆われているので、光電効果による不要な電荷発生が生じることはない。
The
[ESD保護回路の構成]
次に、ESD保護回路60の構成について説明する。
[Configuration of ESD protection circuit]
Next, the configuration of the
図5は、ESD保護回路60の構成を例示する回路図である。図5に示すように、ESD保護回路60を構成するダイオード61は、例えば、NチャネルMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタ(以下、NMOSトランジスタという。)により形成されている。具体的には、ダイオード61は、NMOSトランジスタのソースとゲートとバックゲートを短絡(いわゆるダイオード接続)したものである。この短絡部は、アノードとして機能する。このNMOSトランジスタのドレインは、カソードとして機能する。
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating the configuration of the
図6は、ESD保護回路60を構成するNMOSトランジスタの層構造を例示する図である。このNMOSトランジスタは、センサチップ20を構成するためのp型半導体基板70の表層に形成された2つのn型拡散層71,72と、コンタクト層73と、ゲート電極74とを有する。ゲート電極74は、p型半導体基板70の表面上にゲート絶縁膜75を介して形成されている。ゲート電極74は、2つのn型拡散層71,72の間に配置されている。
FIG. 6 is a diagram illustrating the layer structure of the NMOS transistor that constitutes the
例えば、n型拡散層71がソースとして機能し、n型拡散層72がドレインとして機能する。コンタクト層73は、バックゲートとしてのp型半導体基板70との電気的接続のための低抵抗層(p型拡散層)である。n型拡散層71とゲート電極74とコンタクト層73とは、共通に接続されて短絡される。この短絡部がアノードとして機能し、n型拡散層72がカソードとして機能する。
For example, the n-
p型半導体基板70は、例えばp型シリコン基板である。ゲート電極74は、金属や多結晶シリコン(ポリシリコン)により形成されている。ゲート絶縁膜75は、例えば、二酸化シリコン等の酸化膜により形成されている。
The p-
[湿度検出部の構成]
次に、湿度検出部21の構成について説明する。
[Configuration of Humidity Detector]
Next, the configuration of the
図7は、湿度検出部21の構成を例示する回路図である。図7に示すように、湿度検出部21は、湿度検出用キャパシタ80と参照用キャパシタ81とを有する。
FIG. 7 is a circuit diagram illustrating the configuration of the
湿度検出部21の一方の電極(下部電極83)は、信号端子TSとしてのパッド24bに接続されている。湿度検出部21の他方の電極(上部電極84)は、第1駆動端子T1としてのパッド24cに接続されている。参照用キャパシタ81の一方の電極は、湿度検出部21の一方の電極(下部電極83)と共通である。参照用キャパシタ81の他方の電極(参照電極82)は、第2駆動端子T2としてのパッド24dに接続されている。
One electrode (lower electrode 83) of the
湿度検出用キャパシタ80は、電極間に後述する感湿膜86が設けられている。感湿膜86は、空気中の水分を吸収し、吸収した水分量に応じて誘電率が変化するポリイミド等の高分子材料で形成されている。したがって、湿度検出用キャパシタ80は、感湿膜86が吸収する水分量に応じて静電容量が変化する。
The
参照用キャパシタ81は、電極間に後述する第2絶縁膜111(図8参照)が設けられている。第2絶縁膜111は、水分を吸収しない二酸化シリコン(SiO2)等の絶縁材料で形成されている。したがって、参照用キャパシタ81は、静電容量は変化しないか、変化したとしても極僅かである。
The
感湿膜86に含まれる水分量は、湿度検出装置10の周囲の湿度に対応するので、湿度検出用キャパシタ80の静電容量と参照用キャパシタ81の静電容量との差を検出することにより、相対湿度を測定することができる。この相対湿度の測定は、ASICチップ30によって行われる。
Since the amount of moisture contained in the humidity
[センサチップの素子構造]
次に、センサチップ20の素子構造について説明する。
[Sensor chip element structure]
Next, the element structure of the
図8は、センサチップ20の素子構造を説明するための概略断面図である。なお、図8では、パッド24a,24b,24c,24eを、湿度検出部21と同一の断面内に示しているが、これは構造の理解を容易にするために示したものであり、実際に同一断面内に存在することを意味するものではない。湿度検出部21の断面についても、構造の理解を容易にするために簡略化している。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the element structure of the
図8に示すように、センサチップ20は、前述のp型半導体基板70を用いて形成されている。p型半導体基板70の表層には、ノイズ抑制層200と、コンタクト層100とが形成されている。ノイズ抑制層200は、p型半導体基板70とは極性が反対のn型拡散層により形成されている。コンタクト層100は、p型拡散層により形成されている。
As shown in FIG. 8, the
p型半導体基板70内の各層は、通常の半導体製造工程(CMOSプロセス)を用いて形成される。したがって、ノイズ抑制層200は、ESD保護回路60のn型拡散層71,72と同一の製造工程で形成することもできる。ノイズ抑制層200及びn型拡散層71,72は、n型不純物(例えばリン)をイオン注入することにより基板中への不純物添加を行うイオン注入工程により形成される。
Each layer in the p-
なお、ノイズ抑制層200及びn型拡散層71,72は、イオン注入工程に代えて、熱処理によって不純物添加を行う熱拡散工程で形成することも可能である。
The
p型半導体基板70の表面上には、第1絶縁膜110、第2絶縁膜111、及び第3絶縁膜112が順に積層されている。これらは、二酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(SiN)等の絶縁材料で形成されている。
A first insulating
第1絶縁膜110上には、第1配線層120が形成されている。第2絶縁膜111上には、第2配線層121が形成されている。第2絶縁膜111は、第1配線層120上を覆っている。第3絶縁膜112は、第2配線層121上を覆っている。第1配線層120及び第2配線層121は、アルミニウム等の導電性材料により形成されている。
A
第1絶縁膜110中には、第1配線層120をp型半導体基板70に接続するための複数の第1プラグを有する第1プラグ層122が形成されている。第2絶縁膜111中には、第1配線層120と第2配線層121とを接続するための複数の第2プラグを有する第2プラグ層123が形成されている。第1プラグ層122及び第2プラグ層123は、タングステン等の導電性材料により形成されている。
A
ノイズ抑制層200に電源電圧を印加するための配線108が、第1配線層120により形成されている。配線108は、一端が第1プラグ層122を介してノイズ抑制層200に接続されており、他端が第2プラグ層123及び第2配線層121を介してパッド24eに接続されている。
A
参照用キャパシタ81の参照電極82は、第1配線層120により形成され、第2プラグ層123及び第2配線層121を介して、第2駆動端子T2としてのパッド24d(図8では図示せず)に接続されている。
The
また、湿度検出用キャパシタ80の下部電極83は、第2配線層121により形成され、信号端子TSとしてのパッド24bに接続されている。さらに、湿度検出用キャパシタ80の上部電極84を第1駆動端子T1としてのパッド24cに接続するための配線85は、第2配線層121により形成されている。なお、下部電極83は、第2絶縁膜111を介して参照電極82に対向する位置に配置されている。
The
パッド24a~24eは、アルミニウム等の導電性材料によって、第3絶縁膜112上に形成され、第3絶縁膜112を貫通して第2配線層121に接続されている。
The
第3絶縁膜112上には、感湿膜86が形成されている。感湿膜86は、厚みが0.5μm~1.5μmであって、湿度に応じて水分子を吸着及び脱着しやすい高分子材料で形成されている。感湿膜86は、例えば、厚みが1μmのポリイミド膜である。なお、感湿膜86を形成する高分子材料は、ポリイミドに限られず、セルロース、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリビニルアルコール(PVA)などであってもよい。
A humidity
感湿膜86の上面は平坦であり、この上面に、平板状の上部電極84が形成されている。上部電極84は、感湿膜86を介して下部電極83に対向する位置に形成されている。上部電極84の一部は、配線85に接続されている。上部電極84は、例えば、厚みが200nmのアルミニウム等で形成された導電膜である。また、上部電極84には、空気中の水分子を感湿膜86に効率的に取り込むために、複数の開口84aが形成されている。
The upper surface of the humidity
感湿膜86上には、上部電極84を覆うようにオーバーコート膜87が設けられている。オーバーコート膜87は、高分子材料、例えば、感湿膜86と同一の材料で形成されている。オーバーコート膜87の厚みは、例えば0.5μm~10μmである。
An
感湿膜86及びオーバーコート膜87には、パッド24a~24eを露出させる開口が形成されている。
The humidity
このように、下部電極83と上部電極84とによって平行平板の湿度検出用キャパシタ80が構成されている。また、下部電極83と参照電極82とによって、平行平板の参照用キャパシタ81が構成されている。また、湿度検出用キャパシタ80と参照用キャパシタ81とは、ノイズ抑制層200の上方に配置されている。すなわち、参照電極82は、ノイズ抑制層200と下部電極83との間に配置されている。
Thus, the
ノイズ抑制層200に電源電圧が印加されることにより、ノイズ抑制層200とp型半導体基板70のp型領域との間で生じるpn接合が逆バイアスとなり、空乏層が広がる。
By applying the power supply voltage to the
図9は、下部電極83及び上部電極84の形状を例示する平面図である。図9に示すように、下部電極83と上部電極84とはともに矩形状である。上部電極84は、下部電極83上を覆うように形成されている。
FIG. 9 is a plan view illustrating shapes of the
開口84aは、可能な限り小さいほうが好ましく、小さいほど空気中への電界の漏れが防止される。実際は、多数の開口84aが形成されている。なお、開口84aは、正方形には限られず、細長い短冊状であってもよいし、円形であってもよい。また、開口84aは、千鳥状に配列されていてもよい。開口84aは、円形であって、かつ千鳥状配列であることが望ましい。
The
なお、図9では図示を省略しているが、下部電極83の下方には、矩形状の参照電極82が形成されている。
Although not shown in FIG. 9, a
[ASICチップの構成]
次に、ASICチップ30に構成について説明する。
[Configuration of ASIC chip]
Next, the configuration of the
図10は、ASICチップ30の構成を例示する図である。図10に示すように、ASICチップ30は、駆動部300と、チャージアンプ301と、制御部302と、ADコンバータ(ADC)303とを有する。
FIG. 10 is a diagram illustrating the configuration of the
駆動部300は、第1駆動回路DRV1と、第2駆動回路DRV2とを含む。チャージアンプ301は、キャパシタC1と、オペアンプOP1と、スイッチ回路SW1とを含んで構成された電荷電圧変換(CV変換)部である。
The
第1駆動回路DRV1は、制御部302からの制御に基づいて、センサチップ20の第1駆動端子T1に、矩形波の交流駆動信号である第1駆動信号を印加する。第2駆動回路DRV2は、制御部302からの制御に基づいて、センサチップ20の第2駆動端子T2に、矩形波の交流駆動信号であって、第1駆動信号とは逆送の第2駆動信号を印加する。第1駆動信号及び第2駆動信号のハイレベルは、例えば電源電圧VDDと等しく、ローレベルは、例えばグランド電位GNDと等しい。
The first drive circuit DRV<b>1 applies a first drive signal, which is a square-wave AC drive signal, to the first drive terminal T<b>1 of the
第1駆動信号と第2駆動信号とは、互いに逆位相である。すなわち、第1駆動信号がハイレベルの場合には第2駆動信号はローレベルであり、第1駆動信号がローレベルの場合には第2駆動信号はハイレベルである。 The first drive signal and the second drive signal have opposite phases to each other. That is, when the first drive signal is at high level, the second drive signal is at low level, and when the first drive signal is at low level, the second drive signal is at high level.
キャパシタC1は、一端がセンサチップ20の信号端子TSに接続され、他端がオペアンプOP1の出力に接続されている。
The capacitor C1 has one end connected to the signal terminal TS of the
オペアンプOP1は、反転入力端子が信号端子TSに接続され、非反転入力端子には基準電圧Vrefが入力される。基準電圧Vrefは、例えば、第1駆動信号及び第2駆動信号におけるハイレベルとローレベルとの中間の値である。 The operational amplifier OP1 has an inverting input terminal connected to the signal terminal TS, and a non-inverting input terminal to which the reference voltage Vref is input. The reference voltage Vref is, for example, an intermediate value between the high level and the low level of the first drive signal and the second drive signal.
オペアンプOP1は電圧ゲインが非常に大きいので、信号端子TSの電圧はほぼ基準電圧Vrefと等しくなる。また、オペアンプOP1は反転入力端子の入力インピーダンスは非常に高いので、反転入力端子にはほとんど電流が流れ込まない。オペアンプOP1は、信号端子TSの電圧と基準電圧Vrefとの差を増幅した電圧Voを出力する。 Since the operational amplifier OP1 has a very large voltage gain, the voltage at the signal terminal TS is substantially equal to the reference voltage Vref. Further, since the input impedance of the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 is very high, almost no current flows into the inverting input terminal. The operational amplifier OP1 outputs a voltage Vo obtained by amplifying the difference between the voltage of the signal terminal TS and the reference voltage Vref.
スイッチ回路SW1は、キャパシタC1に蓄積される電荷を放電するための回路であり、キャパシタC1と並列に接続される。スイッチ回路SW1は、制御部302からの制御に基づいて、オン又はオフする。
The switch circuit SW1 is a circuit for discharging charges accumulated in the capacitor C1, and is connected in parallel with the capacitor C1. The switch circuit SW1 is turned on or off under the control of the
ADC303は、制御部302からの制御に基づいて、オペアンプOP1の出力電圧Voをデジタル信号Dsに変換する。
The
制御部302は、ASICチップ30内の各部を制御する。制御部302は、駆動部300による駆動信号の発生、スイッチ回路SW1によるキャパシタC1の放電、ADC303によるアナログ-デジタル変換動作を所定の測定シーケンスに基づいて実行する。
A
図11は、測定シーケンスを説明するタイミングチャートである。測定シーケンスにおいて、制御部302はリセット期間Trstと電荷転送期間Tchgを交互に繰り返すように各部を制御する。制御部302は、リセット期間Trstでは、スイッチ回路SW1をオンとしてキャパシタC1の電荷を放電するとともに、第1駆動信号をハイレベルとし、第2駆動信号をローレベルとする。制御部302は、電荷転送期間Tchgでは、スイッチ回路SW1をオフとしてキャパシタC1を充電可能な状態にするとともに、第1駆動信号をローレベルとし、第2駆動信号をハイレベルとする。
FIG. 11 is a timing chart explaining the measurement sequence. In the measurement sequence, the
この制御により、電荷転送期間Tchgにおいて、チャージアンプ301から下式(1)で表される電圧Voが出力される。
By this control, the voltage Vo represented by the following formula (1) is output from the
Vo=VDD×(Cs-Cr)/C1+Vref ・・・(1)
ここで、Csは、湿度検出用キャパシタ80の静電容量であり、Crは、参照用キャパシタ81の静電容量である。
Vo=VDD×(Cs−Cr)/C1+Vref (1)
Here, Cs is the capacitance of the
制御部302は、ADC303から出力されるデジタル信号Dsを用いて湿度算出処理を行い、相対湿度(%RH)を算出する。
The
[効果]
上記測定シーケンスでは、センサチップ20の湿度検出部21に交流の第1駆動信号及び第2駆動信号が入力されるので、湿度検出用キャパシタ80の上部電極84の電位と、参照用キャパシタ81の参照電極82の電位とが時間的に反転を繰り返す。このように、湿度検出用キャパシタ80及び参照用キャパシタ81は、電極間の電位差が常に変化するため、電極配線には電位が反転するたびに電流が流れる。
[effect]
In the above measurement sequence, since the first AC drive signal and the second AC drive signal are input to the
仮に、ノイズ抑制層200が存在しない場合には、湿度検出部21からp型半導体基板70に電流が流れ込み、ノイズ源となる。p型半導体基板70でノイズが発生すると、ASICチップ30の動作に影響を及ぼす可能性がある。また、ASICチップ30で発生したノイズがセンサチップ20の動作に影響を及ぼす可能性もある。このようなチップ間のノイズの影響を抑制するためには、チップ間に絶縁層を介在させることが考えられる。しかし、チップ間に絶縁層を配置することは、小型化や薄型化の要請から各チップを薄膜化する必要が生じるので、好ましくない。
If the
本実施形態では、湿度検出部21の下方に位置するp型半導体基板70の表層に、固定電位が付与されたノイズ抑制層200が設けられているので、湿度検出部21からp型半導体基板70への電流の流れ込みが低減し、ノイズの発生が抑制される。また、ノイズ抑制層200により、ASICチップ30から湿度検出部21に対するノイズの影響が低減される。
In this embodiment, since the
また、本実施形態では、ノイズ抑制層200をn型拡散層とし、ノイズ抑制層200に、p型半導体基板70との間のpn接合を逆バイアスとする固定電位を付与している。これにより空乏層が広がり、ノイズ耐性が向上する。
Further, in this embodiment, the
なお、上記実施形態では、ノイズ抑制層200に付与する固定電位を、センサチップ20を駆動する駆動信号のハイレベルと同一の電源電圧VDDとしているが、当該ハイレベルよりも大きな固定電位を付与することも好ましい。
In the above embodiment, the fixed potential applied to the
また、上記実施形態では、ノイズ抑制層200をp型半導体基板70の表層に形成しているが、ノイズ抑制層200は、p型半導体基板70の表層に限られず、p型半導体基板70内の深い位置に形成してもよい。
Further, in the above embodiment, the
<第2実施形態>
次に、第2実施形態に係る湿度検出装置について説明する。
<Second embodiment>
Next, a humidity detection device according to a second embodiment will be described.
上記第1実施形態では、センサチップを構成する半導体基板の極性をp型としているが、第2実施形態では、半導体基板の極性をn型とする。 In the first embodiment, the polarity of the semiconductor substrate constituting the sensor chip is p-type, but in the second embodiment the polarity of the semiconductor substrate is n-type.
図12は、第2実施形態におけるセンサチップ20aの素子構造を説明するための概略断面図である。本実施形態では、n型半導体基板70a内に、p型拡散層からなるノイズ抑制層200aと、n型拡散層からなるコンタクト層100aが形成される。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining the element structure of the
本実施形態では、パッド24aに電源電圧VDDを印加することにより、n型半導体基板70aに高電位を付与する。また、本実施形態では、パッド24eにグランド電位GNDとすることにより、ノイズ抑制層200aを低電位とする。これにより、本実施形態においてもノイズ抑制層200とp型半導体基板70との間のpn接合が逆バイアスとなり、空乏層が広がる。
In this embodiment, a high potential is applied to the n-
本実施形態では、ESD保護回路60もn型半導体基板70aにより構成されるので、各拡散層の極性を逆にすればよい。
In this embodiment, since the
本実施形態に係る湿度検出装置の構成は、半導体基板内の各層の極性が異なること以外は、第1実施形態に係る湿度検出装置の構成と同様である。 The configuration of the humidity detection device according to this embodiment is the same as that of the humidity detection device according to the first embodiment, except that the layers in the semiconductor substrate have different polarities.
本実施形態に係る湿度検出装置は、第1実施形態に係る湿度検出装置と同様の効果を奏するものである。 The humidity detection device according to this embodiment has the same effects as the humidity detection device according to the first embodiment.
なお、ノイズ抑制層200aは、n型半導体基板70aの表層に限られず、n型半導体基板70a内の深い位置に形成してもよい。
The
<第3実施形態>
次に、第3実施形態に係る湿度検出装置について説明する。
<Third Embodiment>
Next, a humidity detection device according to a third embodiment will be described.
上記第1及び第2実施形態では、ノイズ抑制層を半導体基板内に形成しているが、第3実施形態では、ノイズ抑制層を半導体基板の上方に形成する。 Although the noise suppression layer is formed in the semiconductor substrate in the first and second embodiments, the noise suppression layer is formed above the semiconductor substrate in the third embodiment.
図13は、第3実施形態におけるセンサチップ20bの素子構造を説明するための概略断面図である。本実施形態では、ノイズ抑制層200bは、p型半導体基板70上に絶縁膜400を介して設けられている。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view for explaining the element structure of the
絶縁膜400は、ESD保護回路60のゲート絶縁膜75に対応する層であり、ゲート絶縁膜75と同一の製造工程で形成される。絶縁膜400は、第1及び第2実施形態におけるセンサチップ20,20aにも存在するが、図8及び図12では単に図示を省略している。
The insulating
ノイズ抑制層200bは、金属又は多結晶シリコン(ポリシリコン)からなる導電層である。また、ノイズ抑制層200bは、ESD保護回路60のゲート電極74に対応する層であり、ゲート電極74と同一の製造工程で形成される。
The
ノイズ抑制層200bには固定電位が付与される。具体的には、ノイズ抑制層200bは、パッド24eに電気的に接続されており、パッド24eから電源電圧VDDが印加される。なお、ノイズ抑制層200bに付与する固定電位は、電源電圧VDDに限られず、電源電圧VDDよりも大きな電位としてもよい。
A fixed potential is applied to the
本実施形態では、湿度検出部21とp型半導体基板70との間に固定電位とされたノイズ抑制層200bが設けられているので、湿度検出部21からp型半導体基板70への電流の流れ込みが低減し、ノイズの発生が抑制される。また、ノイズ抑制層200により、ASICチップ30から湿度検出部21に対するノイズの影響が低減される。
In this embodiment, since the
なお、本実施形態では、半導体基板の極性をp型としているが、第2実施形態と同様に、半導体基板の極性をn型とすることも可能である。 Although the polarity of the semiconductor substrate is p-type in this embodiment, the polarity of the semiconductor substrate may be n-type as in the second embodiment.
<変形例>
以下に、その他の変形例について説明する。
<Modification>
Other modifications will be described below.
上記各実施形態では、センサチップを構成する半導体基板に、ノイズ抑制層やESD保護回路を形成しているが、さらに温度検出部を形成してもよい。この温度検出部は、npn型やpnp型のバイポーラトランジスタ、1又は複数のpn接合ダイオード、抵抗体としての不純物拡散層などにより形成可能である。温度検出部は、開口部50から露出する位置に形成することが好ましい。温度検出部は、ノイズ抑制層やESD保護回路と同一の製造工程により形成することが可能である。
In each of the above-described embodiments, a noise suppression layer and an ESD protection circuit are formed on the semiconductor substrate that constitutes the sensor chip, but a temperature detection section may also be formed. This temperature detection section can be formed by an npn-type or pnp-type bipolar transistor, one or more pn junction diodes, an impurity diffusion layer as a resistor, or the like. The temperature detection part is preferably formed at a position exposed from the
また、本発明は、湿度以外の物理量を検出する検出装置に適用することも可能である。すなわち、湿度検出部21に代えて、湿度以外の物理量に応じた信号を出力する検出部を設けることが可能である。
The present invention can also be applied to a detection device that detects physical quantities other than humidity. That is, instead of the
また、上記各実施形態では、温度検出部の下方にノイズ抑制層を配置することにより温度検出部に対するノイズ抑制を図る形態について説明したが、ノイズ抑制層は、パッド24~24eに至る取り出し配線の直下に設けてもよい。この場合においても、上記各実施形態と同様の理由により、取り出し配線に対するノイズ抑制を図ることができる。 Further, in each of the above-described embodiments, the noise suppression layer is arranged below the temperature detection section to suppress noise in the temperature detection section. It can be placed directly below. Also in this case, for the same reason as in the above-described embodiments, it is possible to suppress noise in the lead-out wiring.
また、本開示において、「覆う」や「上」という文言により表される2つの要素の位置関係は、第1の要素を第2の要素の表面に、他の要素を介して間接的に設けられる場合、及び直接的に設けられる場合の両方を含む。 In addition, in the present disclosure, the positional relationship between two elements represented by the words “cover” and “on” means that the first element is indirectly provided on the surface of the second element via another element. It includes both cases where it is provided and cases where it is provided directly.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. and substitutions can be added.
10 湿度検出装置(検出装置)、20,20a,20b センサチップ(第1半導体チップ)、21 湿度検出部(検出部)、24 パッド、30 ASICチップ(第2半導体チップ)、40 モールド樹脂、50 開口部、51 有効開口部、60 ESD保護回路、70 p型半導体基板、70a n型半導体基板、80 湿度検出用キャパシタ、81 参照用キャパシタ、82 参照電極、83 下部電極、84 上部電極、86 感湿膜、87 オーバーコート膜、200,200a,200b ノイズ抑制層、300 駆動部、301 チャージアンプ(電荷電圧変換部)、400 絶縁膜
10 humidity detection device (detection device), 20, 20a, 20b sensor chip (first semiconductor chip), 21 humidity detection unit (detection unit), 24 pad, 30 ASIC chip (second semiconductor chip), 40 mold resin, 50
Claims (7)
前記半導体基板の上方に設けられ、物理量に応じた信号を出力する検出部と、
前記検出部の下方における前記半導体基板内、又は前記検出部と前記半導体基板との間に設けられたノイズ抑制層と、
を備え、
前記検出部は、湿度検出用キャパシタを有し、
前記湿度検出用キャパシタは、前記半導体基板の上方に形成された下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に配置された感湿膜と、を含み、
前記検出部は、交流駆動信号で駆動され、湿度に応じた信号を出力し、
前記ノイズ抑制層は、前記半導体基板の一部に配置された第2導電型の拡散層からなり、
前記半導体基板と前記拡散層との間のpn接合には、逆バイアスとする固定電位が与えられる
検出装置。 a first conductivity type semiconductor substrate;
a detection unit provided above the semiconductor substrate for outputting a signal corresponding to a physical quantity;
a noise suppression layer provided in the semiconductor substrate below the detection unit or between the detection unit and the semiconductor substrate;
with
The detection unit has a humidity detection capacitor,
the humidity detection capacitor includes a lower electrode formed above the semiconductor substrate, an upper electrode, and a humidity sensitive film disposed between the lower electrode and the upper electrode;
The detection unit is driven by an AC drive signal and outputs a signal corresponding to humidity,
wherein the noise suppression layer comprises a diffusion layer of a second conductivity type disposed on a portion of the semiconductor substrate;
A fixed potential as a reverse bias is applied to the pn junction between the semiconductor substrate and the diffusion layer.
detection device.
前記下部電極と、
前記ノイズ抑制層と前記下部電極との間に配置された参照電極と、
前記参照電極と前記下部電極との間に配置された絶縁膜と、
により構成された参照用キャパシタを有する請求項1に記載の検出装置。 The detection unit is
the lower electrode;
a reference electrode disposed between the noise suppression layer and the lower electrode;
an insulating film disposed between the reference electrode and the lower electrode;
2. The detection device of claim 1 , comprising a reference capacitor composed of:
前記検出部を駆動する駆動部と、前記検出部から出力される電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部とを含む第2半導体チップと、
を有し、
前記第1半導体チップは、前記第2半導体チップ上に積層されている請求項1ないし3いずれか1項に記載の検出装置。 a first semiconductor chip including the semiconductor substrate, the detection unit, and the noise suppression layer;
a second semiconductor chip including a drive section for driving the detection section and a charge-voltage conversion section for converting the charge output from the detection section into a voltage;
has
4. The detection device according to claim 1 , wherein said first semiconductor chip is stacked on said second semiconductor chip.
前記検出部を駆動する駆動部と、前記検出部から出力される電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部とを含む第2半導体チップと、
を有し、
前記第1半導体チップは、前記第2半導体チップ上に積層され、前記検出部と前記第2半導体チップの間にノイズ抑制層と、
を備え、
前記検出部は、湿度検出用キャパシタを有し、
前記湿度検出用キャパシタは、前記半導体基板の上方に形成された下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に配置された感湿膜と、を含み、
前記検出部は、交流駆動信号で駆動され、湿度に応じた信号を出力し、
前記ノイズ抑制層は、金属または多結晶シリコンから形成された導電層からなる
検出装置。 a first semiconductor chip having a semiconductor substrate and a detection unit provided above the semiconductor substrate for outputting a signal corresponding to a physical quantity;
a second semiconductor chip including a drive section for driving the detection section and a charge-voltage conversion section for converting the charge output from the detection section into a voltage;
has
The first semiconductor chip is stacked on the second semiconductor chip, and a noise suppression layer is provided between the detection unit and the second semiconductor chip,
with
The detection unit has a humidity detection capacitor,
the humidity detection capacitor includes a lower electrode formed above the semiconductor substrate, an upper electrode, and a humidity sensitive film disposed between the lower electrode and the upper electrode;
The detection unit is driven by an AC drive signal and outputs a signal corresponding to humidity,
The noise suppression layer is made of a conductive layer made of metal or polycrystalline silicon.
detection device.
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